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Clusterreport Optik & Photonik

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Clusterreport Optik und Photonik – Forschung & Industrie | Optische Analytik 72 4.4 Optische Analytik – Analysewerkzeuge für vielfältige Anwendungsbereiche in der Photonik Der Mensch nimmt den größten Teil seiner Welt mit den Augen wahr und nicht viel anders sieht es in der Technik aus: Optische Verfahren zur Erfassung verschiedenster Größen spielen eine dominante Rolle. Mit der zunehmenden Digitalisierung vieler Produktionsprozesse im Rahmen von Industrie 4.0 übernimmt die Sensortechnik allerdings eine noch wichtigere Rolle als bislang schon. Optische Sensoren sind meist kontaktlos, schnell, und sie liefern elektrische Signale, die sich einfach verarbeiten lassen. Entsprechend groß ist die Vielfalt optischer Sensoren und Messverfahren. Während unser Auge nur einen kleinen Teil des elektromagnetischen Spektrums wahrnimmt, gibt es optische Sensoren für unterschiedlichste Wellenlängen: von der Röntgenstrahlung über Ultraviolett und sichtbare Bereiche bis zum Infrarot und schließlich zur Terahertzstrahlung. So vielfältig wie die möglichen Wellenlängen sind auch die Anwendungsgebiete in der Mess- und Analysetechnik. Sie reichen vom Mikroskop im Labor über Sicherheitstechnik am Flughafen bis zu wissenschaftlichen Großgeräten wie BESSY II in Berlin Adlershof. Röntgenstrahlung zum Beispiel durchdringt die meisten Materialien und wird sowohl in der Medizin als auch in der Werkstoffanalyse und in der zerstörungsfreien Untersuchung von Bauteilen genutzt. Gleichzeitig ermöglicht sie mit ihrer hohen räumlichen Auflösung den Blick in die Nanowelt. Die Anregung mit ultravioletter Strahlung führt bei den meisten biologischen Materialien zur Eigenfluoreszenz. Aus der spektroskopischen Analyse dieser Eigenfluoreszenz können Rückschlüsse auf die Zusammensetzung des biologischen Materials gewonnen werden. Die Anwendungen sichtbaren Lichts sind extrem vielfältig. Die Ergebnisse sind meist mit bloßem Auge zugänglich. Aber dank hochentwickelter Sensoren können hier auch Messgeräte Aufgaben wie das Überwachen von Produktionsprozessen übernehmen und den Menschen von einer ermüdenden Tätigkeit befreien. Optische Sensoren helfen beim Zählen, bei einfachen und komplexen Längenmessaufgaben und bei der Farbmessung – um nur einige Beispiele zu nennen. Die Anwendung infraroter Strahlung nutzt oft den Effekt, dass diese Strahlung für unsere Augen nicht sichtbar und in weiten Grenzen auch nicht schädlich ist. Wenn in Zukunft autonome Fahrzeuge unsere Straßen erobern, werden sie ihre Umgebung mit IR-Sensoren erfassen. Infrarote Strahlung kann aber auch wichtige Informationen über unsere Umwelt liefern, wie zum Beispiel über die Wärmeabstrahlung von Gebäuden. Mithilfe einer Infrarotkamera kann dann zum Beispiel die Dämmwirkung einer Fassade untersucht werden. Ein neues Gebiet der optischen Analytik ergibt sich durch die Entwicklung von Quellen und Sensoren für Terahertzstrahlung. Manch einem sind die entsprechenden Geräte schon bei der Sicherheitskontrolle auf dem Flughafen aufgefallen, wo sie die konventionellen Röntgengeräte ersetzen sollen. „Das Handlungsfeld Optische Analytik ist in Berlin und Brandenburg in Forschung und Industrie fest verankert. Hier bieten sich vielfältige Möglichkeiten für moderne Unternehmen, um neue Verfahren und Produkte zu entwickeln, die im globalen Wettbewerb Bestand haben. Optische Analytik ist wichtig für Prozessentwicklung sowie für die Realisierung von Smart Factory und Industrie 4.0.“ Prof. Dr. Birgit Kanngießer | Handlungsfeldsprecherin Optische Analytik, TU Berlin Prof. Dr. Norbert Esser | Handlungsfeldsprecher Optische Analytik, ISAS e.V.

73 Clusterreport Optik und Photonik | Optische Analytik Direkten Zugriff auf die Strahlung von BESSY II hat EMIL, das Energy Materials In-situ Laboratory © HZB/Ingo Kniest UV- und Röntgentechnologien UV- und Röntgentechnologien erweitern den Anwendungsbereich der optischen Analytik zu kleinsten räumlichen und zeitlichen Dimensionen. Sie machen Nanostrukturen sichtbar, genauso wie ultraschnell ablaufende Prozesse. Damit ermöglichen sie deutliche Fortschritte in so wichtigen Gebieten wie der Medizintechnik oder Nanotechnologien. In der Region Berlin Brandenburg hat die Röntgenanalytik eine lange Tradition. Einige der ersten Röntgenröhren, mit denen Wilhelm Conrad Röntgen nach 1895 experimentierte, wurden in Berlin von Reinhold Burger gefertigt. Heute besitzen Berlin und Brandenburg in diesem Bereich einmaliges Potenzial sowie eine international herausragende Stellung. Die Region bildet in gleichmäßiger Breite die gesamte Wertschöpfungskette ab, von der Grundlagenforschung bis hin zur Produktentwicklung in innovativen Unternehmen. Röntgenanalytik für Medizintechnik und Materialanalytik Bei der Entwicklung der Röntgenanalytik werden heute viele Verfahren von der Forschung in die Industrie überführt. Konkret zeigt sich das an der Übertragung von Verfahren und Systemen vom Synchrotron in eine normale Laborumgebung. Ein Schwerpunkt sind dabei bildgebende Verfahren, wie Tomographie, Röntgenmikroskopie, aber auch Holographie oder kohärente Diffraktion. Getrieben wird die Entwicklung von der Medizintechnik und materialwissenschaftlichen Fragestellungen. Dafür bestehen in der Region einmalige Kompetenzen. Ein Beispiel ist die Technik, um die Tiefenschichten der berühmten Qumran-Schriftrollen vom Toten Meer zerstörungsfrei zu untersuchen. Das geschah mit einer von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der TU Berlin entwickelten 3D-Mikro-Röntgenfluoreszanalyse. Aus den Anforderungen der Zukunftstechnologien ergeben sich Arbeitsschwerpunkte für Forscher und Entwickler in der Region. Dazu gehören Röntgenröhren; Röntgenoptiken und Röntgenkapillaroptiken, speziell HOPG-Optiken (highly oriented pyrolytic graphite) sowie Bragg-Fresnel-Linsen und leistungsfähigere Röntgenhalbleiterdetektoren laserbasierte Röntgenquellen für den weichen und mittleren Röntgenbereich, speziell für Pulse im Femto- bis Nanosekundenbereich sowie Methoden der chemischen Speziation, die unabhängig von Synchrotrons und Großgeräten sind. Forschungseinrichtungen und Unternehmen in Berlin Brandenburg wird die Arbeit so schnell nicht ausgehen. Jeder Forschungsschritt in der Materialanalytik bringt auch andere Technologien voran. Vor allem dann, wenn es um die Auflösung von kleinen und kleinsten Strukturen geht. Denn UVund Röntgenlicht ist das Licht der Mikro- und Nanotechnologien – und damit eines ihrer wichtigsten Werkzeuge. International einmalige Forschungsmöglichkeiten Die Region Berlin und Brandenburg bietet eine ausgezeichnete Forschungsinfrastruktur mit einer engen Industrieanbindung. Das Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) ist ein Beispiel dafür. Das HZB betreibt in Berlin-Wannsee und in Berlin-Adlershof einzigartige Laboratorien und Großgeräte für die Forschung an Energiematerialien. Dazu zählen Solarzellen der nächsten und übernächsten Generation, künftige IT-Materialien (Spintronik) oder auch katalytisch aktive Materialsysteme, die mit Sonnenlicht Wasser spalten und solare Brennstoffe erzeugen (künstliche Photosynthese). Der Berliner Elektronenspeicherring BESSY II in Berlin-Adlershof stellt an fast 50 Strahlrohren brillante Synchrotronlichtpulse für die Forschung bereit, insbesondere im weichen Röntgenbereich. Auch externe Gäste aus Forschung und Industrie können Messzeit an BESSY II beantragen. Dabei entwickeln HZB-Expertenteams die Instrumentierung stetig weiter und arbeiten an neuen röntgenoptischen Komponenten (HZB-Institut für Nanometeroptik und Technologie). www.helmholtz-berlin.de/angebote/tt-industrie/index_de.html Das Energy Materials In-Situ Laboratory EMIL ist direkt an BESSY II angeschlossen. Es beheimatet SISSY, das Energie Material Forschungslabor des HZB und CAT, das

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